原标题：来自火星的旅拍：祝融号传图回家，我国火星探测圆满成功 来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客
作者 | 李水青
编辑 | 心缘
智东西6月11日消息，“千呼万唤始出来”！刚刚，我国“祝融号”火星车终于宣告传回首批火星影像！
在祝融号传回的照片中，一望无际的土色世界里碎石土粒显露出几分荒凉。祝融号自拍一张，显得几分孤勇。祝融号将巡航达90天，主要任务是人类“探火”历程中隽永的主题——探测生命，探测水源。
经历200多天太空飞行、3个月绕火星环游，我国天问一号火星探测器终于在2.12亿公里以外的火星降落，并分离祝融号火星车展开巡航，在20天内发回首批科学影像图。这标志着我国成为全球首个一次性完成“探火”绕、落、巡任务的国家！
自19世纪60年代人类就心驰神往地启动“探火”工程，但在此之前只有美国实现了火星巡航任务。随着火星自2020年中旬进入新的“窗口期”，趁火星距离地球距离最近之际，包括美国、阿联酋及我国都抓住机会发射火星探测器。其中，美国毅力号刚刚在2月降落火星并传回照片，而阿联酋仅仅绕行、不着陆。
据悉，祝融号在火星上3天才走一步，大概是10米左右的距离。但是，祝融号的一小步，可以说中国航天事业和民族技术自信的一大步！
01.
火神“祝融”，来自火星的“旅拍”
我们从天问一号祝融火星车的新浪微博日志可知，祝融号3天走一步，大概是10米左右的距离。这个速度可能比很多人想象地要慢，这主要因为受到能源、联网、火星复杂环境等约束。所以说，看似简单的“自拍”，对祝融号来说还是不小的挑战。天问一号祝融火星车在微博上称：“设计师们会考虑到我还是个宝宝，不适合在刚到达火星表面上，没有经历考核就大胆地往前走。”
一次性完成火星探测三大任务，全球第二！
当下，随着祝融号巡航照片的传回，标志着我国成为全球首个一次性完成“探火”绕、落、巡任务的国家，成为在火星上进行软着陆的第三个国家，并成为部署火星车的第二个国家！
自上个世纪中后期至今，人类火星探测主要有五种方式：
三是巡视器在火星上运动，进行移动巡视，对火星进行局部感知和深度探测。目前，只有美国和我国掌握了这一技术。欧洲曾两次进行类似的火星探测活动，但都只完成了环绕探测，而着陆探测均告失败。
第四和第五种是采样返回探测和载人登陆探测，当下还没有国家实现。一般大家会选择循序渐进的方式，一步步推进，先环绕探测，然后进行着陆探测、巡视探测。但我国本次祝融号本次将一次性“打卡”这三大火星探测任务，可以说是全球首次！
在为期90天的巡航中，祝融号本次之行的一大任务是探测火星上有没有生命赖以生存的水的存在。其搭载的次表层探测雷达可以分析土壤结构，可以对此进行探查。
同时，祝融号也关注火星与太阳系相互作用的而演变，据了解，火星曾经拥有和地球类似的磁场，但后来在太阳风的轰击下磁场消失，留下如今的荒凉面貌。祝融号将通过表面磁场探测仪和火星气象测量仪，探测这些问题。
此外，祝融号还携带地形相机、多光谱相机等合计6台仪器，比如地形相机就能为我们记录下火星的真实“写真”。
当下，全球参与“探火”的几个“移民”都只进行到了火星探测的前三步——环绕探测、着陆探测、巡视探测。本次祝融号完成90天巡航后，它不会有返回舱回到地球。不过，在我国的探火规划中，“天问工程”预计将在2030年将火星上的探测物带回地球。
03.
“火星移民“后浪”，虽晚却猛
2020年7月至今成为一个火星探测小高峰，包括美国NASA、阿联酋及我国都发起探火项目。
这主要是由于火星的空窗期高达26个月，此时火星相聚地球最近达到5600万公里，发射探测器所需要的燃料更少，在网络传输上也更顺畅。据悉，抵达火星时，祝融号探测器距离地球约为1.92亿千米，实际飞行路程约4.75亿千米。
为了跨越这样的宇宙距离，人类经历了漫长的探索。
其实，人类从20世纪70年代就已经开始探索火星。1971年，俄罗斯“火星三号”就在火星上实现软着陆，然而不幸地是，它在着陆后20秒就失联，成为俄罗斯探火辛酸征程的开端，而后俄罗斯多次探火都没成功。
苏联解体前后，世界探火热度有过一阵消退。但是随着新世纪的到来，全球对于火星的探测热情又开始回升。
此前水手9号带回的火星照片让许多人心灰意冷，火星上竟如此荒凉。但在2014年，美国好奇号在火星上发现“甲烷”成分，又重燃大家猜想火星上存在生命的探索热情。而后，截至2018年，相关专业统计数据显示，全球已进行火星探测44次。
我国火星探测开始相对较晚，且起初较为曲折。2007年，随着嫦娥一号探月工程成功，我国也与俄罗斯开展探火合作——“萤火一号”探测器搭载俄罗斯的“福波斯-土壤”探测器发射。然而遗憾的是，“福波斯-土壤”还没有冲出地球轨道，它就由于变轨不成功在地球大气层提前坠毁。
“搭顺风车”的路走不通，2009年，有专家提议我国自主研发火星探测技术，已具备条件。2016年，我国探火项目立项，2018年正式启动。期间，印度的“曼加努安号”已经实现了火星环绕探测。
回头来看，我国如今探火项目的“一步到位”，离不开背后多年“隐忍不发”的谨慎考量和论证。
04.
“探火”背后，十六年“嫦娥工程”打底
“探火”三大步一次到位，祝融号的成功离不开我国“嫦娥工程”探月项目的铺垫。
2020年7月28日，奔向火星的天问一号传回和月球的首张“自拍合影照”。首次火星探测和首次月球采样返回也是我国在2020年的两大地外天体的重大探测活动。
月球探测的经验，在火星探测非常受用。因为方式基本相似，同样包括环绕探测、着陆探测、巡视探测、采样返回探测和载人登陆探测五大步骤。目前，全球火星探测都只进行到前三步。
回头来看，我国的火星探测和月球探测之间相隔多年，同时又几乎无缝衔接，背后，“探火”又比“探月”难度要大的多。
从基本常识来看，作为行星，火星与卫星月球的天体运动规律不同，因此发射任务的轨道设计更加复杂；月球探测每个月都有机会，但火星最久需要等26个月；火星的距离要比到月球远得多，运载火箭必然需要更大的推力，飞行时间也更长、调试更多，不确定性也更大。
而聚焦到环绕探测、着陆探测、巡视探测三大步骤来看，火星探测可以说要勇闯三关，啃下三块硬骨头。
05.
祝融号勇闯三关，难点解读
2020年7月23日，长征五号遥四运载火箭携天问一号在中国文昌航天发射场发射。飞行2177秒后，天问一号进入地火转移轨道，太阳翼展开，进行对日定向。
长征五号遥四运载火箭超越11.2千米/秒的第二宇宙速度，飞出了我国运载火箭的最快速度。
第二宇宙速度是一个物理术语，它是摆脱地球引力所需要达到的最低速度，也称地球逃逸速度，为11.2千米/秒。如果一个飞行器需要环绕地球飞行但并不摆脱地球引力，它只需要达到第一宇宙速度7.9千米/秒（也称地球环绕速度），比如探月就无需脱离地球引力；但如果飞行器要飞离地球引力，去太阳系的其他行星，比如去火星，它就需要达到第二宇宙速度。
可以看到，仅仅是在没到达火星之前，祝融号就已经比嫦娥五号要超越更大的极限。
1、环绕任务：三十分钟被火星捕获，关键一脚的刹车
天问一号的第一关在于“环绕”。在此之前，天问一号需要精准降速，以被火星捕获。
天问一号会在这个窗口期仅有30分钟的阶段，持续点火约15分钟，以使其从第二宇宙速度11.2千米/秒减速制动。更难的是，降速必须小于火星逃逸速度5.027千米/秒，同时必须达到环绕速度3.55千米/秒，以完成环绕任务。
要知道，这一切过程地球上的工程师无法实时掌控，只能提前设置并在时延近11分钟的通讯情况下得到反馈。
如果速度没降至5.027千米/秒，火星则无法吸住天问，探测器则会飞出天际；如果速度低于3.55千米/秒，探测器则会受火星引力影响，一头扎到火星上。
这关键的“一脚刹车”，直接关系到我国火星探测任务能否成功。
2、着陆任务：经历恐怖七分钟，技术难度高
其中的一大难点是何确保着陆器和巡视器安全减速，完好无损地着陆在火星表面，这一阶段被称为“恐怖九分钟”（或七分钟）。
为什么说“恐怖”？因为在从火星轨道进入火星地表，探测器需要将速度从4.8千米/秒降低到0千米/秒。由于火星上空气稀薄，空气阻力几乎只有地球的1%，因此在降落伞帮助下降速也极其困难。之所以说恐怖，是由于在这一过程稍有不慎，探测器就粉身碎骨了。
相对来说，探月不存在“逃离地球”的速度要求，因此也不存在类似的“恐怖九分钟”。
2021年，5月22日，“祝融号”火星车成功降落在火星南北半球的乌托邦平原，这里被认为可能是远古火星海洋的所在地。研究表面在火星乌托邦平原距离地面1-10米的浅表底层下方，存在大量地下水冰，是探测火星生命的绝佳地点。
成功软着陆的背后，是我国先进的软着陆技术——中国是除美国外世界上唯一独立掌握火星着陆巡视探测技术的国家。
目前，人类研发出了三种方式进行火星软着陆，分别为气囊弹跳式、反推着陆腿式及空中起重机式。
我国的天问一号选择的反推着陆腿式，通过气动减速段、伞降减速段、动力减速段、着陆缓冲段四个阶段逐步减速，以安全到达火星表面。
据悉这一方式需要两重减速，一是需要利用降落伞减速，二是而后需要反推发动机点火，使探测器再次减速，在着陆前进行自主悬停避障。不过，这种方法难以满足重量较大探测器的软着陆要求，着陆精度也相对较高。
也正是降落方式的不同，加上祝融号是环绕火星后降速着陆，祝融号与毅力号的着陆时间也出现了两分钟之差。
火星环境恶劣，到达火星的祝融号要实现巡航任务，首先要在众多未知环境下活下来。
火星上白天最高温度大约27摄氏度，与地球相近，但晚上低至130摄氏度，且火星表面气压大约也是地球大气的1%，因此祝融号要比在地球上承受更强的低气压和温差。火星表面的土壤物理学特性与月壤类似，但由于常年侵蚀十分松软，为了防止祝融号行走车轮下陷，因此，祝融号设计地支持抬轮和蠕动。
我国的月球车“玉兔号”已经在月球巡航为我们探火积累经验，不同于月球的真空环境，火星上有大气存在，因此复杂很多。
比如火星上的风速可达每秒180米，几乎是地球上特大台风风速的三倍多；同时火星表面密布着石块等障碍物，火星车一旦被障碍物卡住或撞击，都可能使得后续任务难以完成。
据称，为了让祝融号走地更稳妥，中国航天科技集团五院的实验室中有一台与“祝融号”一模一样的火星车，会模拟祝融号遇到的复杂路况，模拟行驶，确认无误后才会发出指令。
除了沙尘暴、复杂路况等，祝融号在一个陌生的星球可能遇到的状况还有很多，任何一个环节的小差错都可能使得任务失败，这也对祝融火星车在硬件、网路等层面提出更高的要求。
火星车的遥控也比月球车难度颇高，目前我国月球车已经能实现在无时延的情况下进行实时控制，能够快速响应指令，使得指挥员看到它的状态后再发出下一个指令。
但在火星上，由于距离、轨道、能源约束等原因，难以与地球实现连续通信，只能在全天某些时间段接收火星车的数据。因此，祝融号采取延时指令，会被告知在什么时间点做什么事情，然后按时序自主执行。
“天问一号”轨道器扮演“祝融号”的信号中继，同时深空探测网接收中继来的信号。我国深空网由喀什深空站、佳木斯深空站和阿根廷深空站三大深空站支持，从而保证祝融号的照片能发回地球的“朋友圈”。
深空探测网是天问一号背后的“英雄”，目前，中国深空探测网前已经发展成为全球仅次于美国的测控网络。
06.
结语：天问之后，我国航空梦行得更远
“天问”出自屈原的《天问》，文章开篇就提到了“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”这样的句子，是问远古开始之时，是谁将创造了这样的形态？天地尚未成形之前，又从哪里得以产生？
而天问一号探测器则带着中国自古以来对宇宙起源的好奇，来到火星。
回到我国航天事业进展，可以说去年以来捷报不断——从北斗组网成功到空间站发射，从嫦娥五号月球挖土到如今的天河一号探火成功，我国太空探索大步向前，可以说是一代又一代航空航天人的心血！天问之后，祝愿我们的航空强国梦越行越远。
原标题：《来自火星的旅拍！祝融号传图回家，我国火星探测圆满成功》
